化工自动化及仪表总复习题

化工自动化及仪表总复习题

一、填空题：

I.干扰是指除操作变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素；

2.被控对象是指需要实现操纵的设备、机器或者生产过程，称之对象。

3.被控变量是指对象内要求保持给定数值的工艺变量称之被控变量。

4.工艺变量通常分为直接变量，间接变量,安全变量E大类;

5.宜接变量是指与生产过程有着密切关系、或者者说存在亶接关系的，它的改变决定着产品的质量与数

量.

6.间接变量是指与生产过程没有直接关系，并不直接决定着产品的数量与质量。：

7.安全变量是找既与生产过程没有直接的关系，同时也不存在间接关系，但它们影响着生产的安全性。

8.给定值是被控变量的预定值称之给定值.它反映的是工艺过程的具体要求.

9.操作变量是拈受到操纵装置操纵"用以使被控变量保持给定值的物料量或者能量一

10.偏差偏差=实际值-给定值

11.闭环操纵系统通常包含定值操纵系统，随动操纵系统.程序操纵系统：

12.定值操纵系统是指被控变量的给定值恒定不变°

13.随动操纵系统是指给定值不断变化，而且变化是随机的:

14.程序操纵系统是指给定值不断变化，但x=x⑴是已知的。

15.偏差产生的原因通常分为由于干扰导致实际值发生了变化：

给定值发生了变:计量误差而引起的偏差：三个方面。

16.闭环操纵系统通常是由检元件与变送器：比较机构：调节装置；

执行器四个部分构成的。

17.检测元件叮变送器的作用是把被控变量y(t)转化为测量值z(t),z(t)是统一标准信号:比较机构

的作用是计算偏差e(t)；调节装置的作用是根据偏差的大小、正负，按照一定的规律给出调节作用;执

行器的作用是同意调节器送来的信号p(t).发出有关的信号，改变操作变量O

18.自动操纵系统中流淌的是信号流。

19.LC表示的是液位操纵器；L是插液位：C是指操纵。

20.自动操纵系统的静态是指被控变量y(t)不随时间而变化的平衡状态称之系统的“静态”：动态是打被

拄变量y(t)随时间而变化的平衡状态称之系统的喻态己过渡寸程是指弧节系统在受到外作用下，从一

个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称之操纵系统的过渡过程:

21.干扰的理想形式有阶跃扰动，斜坡扰动，正弦波扰动,脉冲扰动：

22.过渡过程的要紧形式有非周期衰减过程，又叫单调过程,衰减振荡过程,等幅振荡过程,发散振荡过

23.定值操纵系统衰减比通常规定在4：I范围内：值动操纵系统衰减比通常规定在10：1

范围内；

24.过渡过程的品质指标有衰减比,振荡周期或者频率，余差,最大偏差或者超调量：

过渡时间,

25.操纵通道是指扰动变量到被控变量之间的信号联系」干扰通道是指里操作变量到被控变量之间的倡

号联系；

26.描述对象的数学模型通常分为参量模型，非参量模型.

27.描述对象的反应曲线通常分为有自衡能力的非周期特性，非自衡非周期特性，振荡特性，反

向特性四种类型。

28.描述对象特性的三个参数是指放大系数K,时间常数T,滞后时间T；

29.K。的含义是被控变量的变化量与操作变量的变化之比：通常希望该值大一点；%的含义是被

控变量的变化量与扰动幅度之比：通常希望该值小一点：

30.时间常数的含义—当〃，=2小时的充电时间：调节通道T。通常应合适：Tf通常应越大。

31.纯滞后产生的原因是—由于信息传输需要时间而引起的：容量滞后产生的原因是」堂是由物料

传递需要通过一定阻力而引起的：

32.双容量对象能够看成一个单容量对象与一个纯滞后过程组合;

33.一阶对象是指动态方程都是一阶常系数微分方程：

34.绝对误差△是指测量值与真实值之差：相对误差y是指某一点的绝对误差与标准表在该点的指

示值之比,

35.精度不仅与绝对误差有关，也与仪表的测量范围有关。

36.仪表的精度通常用相对百分误差6来表示。

37.仪表等级度值越小，表示仪式精度a：标准表精度通常为四上以匕

38.工业生产上，感温元件通常有热电阻，热电偶.

39.热电偶温度计由热电偶，测量仪表，连接导线三部分构成;

40.热电势CAB与两方面因素有关，一是取决于重触处的金属饯质的差星，二是温度有关。

41.热电偶温度补偿方法通常包含校正仪表零点法，补偿电桥法；

42.热电偶温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路.反馈电路三个部分:

43.热电偶的分度表是指tO=（TC。热电偶的冷咽温度始终保持在0P上。将E（t,to）与t之间的一一对

应关系作成一个标准的数据表格：分度号是指热电偶的代号：

44.在高温区通常使用热电偶作为测温元件,在中、低温区通常使用热电阻作为测温元件:

45.热电阻是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或者平衡电桥），连接导线三部分

构成；

46.热电阻温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分;

47.显示仪表又叫二次仪表：

48.“XCZ”中各字母代表的含义，X显示仪表，C动圈式磁电式，Z指示仪：

49.“XCT”中各字母代表的含义，X显示仪表，C动圈式磁电式，T指示调节仪：

50.动圈式显示仪表的外接电阻通常规定为欧虬：外接调整电阻的作用是—使R总保持不变：外接

电阻通常由—热电偶电阻R热,』1导线电阻R补，连接铜导线电阻R铜，外接调整电阻R调

四项构成；

51.基本操纵规律通常包含位式操纵（要紧指双位操纵），比例操纵（P）,积分操纵（I），微

分操纵（D）；

52.比例操纵规律是研究具有比例操纵规律的操纵器：

e/（x—x）

53.比例段：6的定义式----上——皿"XlOO%对单兀组合仪表，b与k.之间的关系为

户"…%in）

J=—x100%

Kp

54.比例度3越大表示比例操纵作用嘘6越小表示比例操纵作用逋强：

55.通常工业用调节器的比例度6在5~250%范围内:

56.枳分调节规律最大的优点是能够消除偏差：

57.输入一输出关系符合P=K’je力关系式的调节规律称之枳分规律：

58.积分速度ki的含义是表示积分操纵作用强弱的参数，ki越大衣示积分作用操纵越及时：

59.微分时间肘的含义是表示微分操纵作用强弱的参数.5越大表示微分作用微分作用越强：

60.气动执行器分为两部分，分别为执行机构、操纵机构：

61.当阀芯向下运动时，流通截面积减小时,叫正装：

62.当阀芯向下运动时，流通截面积增大时,叫反装；

63.操纵阀的理想流量特性包含直线流量特性，等百分比流量特性.抛物线流量特性，

快开特性：

64.可调比R的定义式为R=Qmax/Qmin，国产操纵阀可调比R通常为30：

65.执行器的气开、气关选择的要紧根据是安全状态；

66.被控变量选择的原则有粮据工艺要求,确定直接变量，直接变量检测与操纵有困难，则选间接变量_、

根据相律，进一步缩小被控变量的数量范围、根据操纵要求，考察各个候选被控变量的灵敏度、进一

步考察工艺变量的工艺合理性：

67.干扰通道存在纯滞后时，对被控变量y没有影响;

68.常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法：

69.经验凑试法的原则是看曲线、作分析、调参数、寻最佳：

70.串级操纵系统的特点两个检测变送器、两个调节器、一个操纵阀、两个调节器之间是有信

号流将它们串接在一起，其中一个调节器的输出为另一个调节器的输；

71.对审级操纵系统，副操纵器作用方向的选择与简单操纵系统作用方向一样,主操纵器作用方向的

选择与调节阀的气开、气关型式无关;

72.前馈操纵系统的特点这是个开环操纵系统（根据信号流走向，信号流在被控对象处断开）、一个

检测器只能测出一个干扰，所往常馈操纵只能克服一种干扰、前馈操纵是基于不变性原理而工作的，操

纵及时、有效、前馈操纵规律不是PID,而是使用由“不变性原理”决定的“专用”操纵规律：

73.前馈操纵系统是基于不变性原理匚作的；

74.离心泵的操纵方案通常包含改变调节阀的开启度、改变泵的转速、改变回流量：

75.精储塔的操纵方案中，通常选择塔顶温度、塔底温度、灵敏板温度、

中间温度、温差操纵作为间接被控变量;

二、问答题：

1.过渡过程的基本形式有哪几种（用图表示）？简要阐述其特点：工业生产通常需要什么类型的过渡过

程？

解：非周期衰减过程，又叫单调过程：特征：被控变量没有来会（沿t轴）的波动，沿着一侧作缓慢

的变化，最后稳固下来；

衰减振荡过程：特征：被控变量上下波动，但振幅逐步减小，最后稳固在某一个值上面：

等幅振荡过程：特征：振幅不变；

发散振荡过程：特征：振幅不断增大，被控变量最终远离给定值：

工业生产通常需要衰减振荡过程

2.试阐述下图所示的温度操纵系统为开环的原因？

随着hl的增高，ql会随之而酒大，则h2也会随之而升高，但是h2开始变化比较缓慢，由于这时Nhl增

加不多：/hi增加越高，ql也增加越高，h2的速度会逐步加快；而h2的升高，也必定导致qO的加大，

即最后阶段h2的变化呈现平缓趋势

7.热电偶冷端温度为什么务必要进行补偿？试简要说明补偿步骤与原理。

解：原因：一是冷端与热端很靠近，因此热端温度必定影响到冷端温度：二是热电偶在使用过程中，

冷端总是暴露在空气中，冷端温度必定受到周围环境的影响。因比要进行补偿。

第■：补偿导线的使用（解决冷端温度恒定）：第二：冷端温度修正法，原理：热电偶产生的热电势为:

第三：校正仪表零阖仅"）=E（Z,O）-F（Zo,0）

8试简要说明补偿电标睁树湖山乩幻+成。,0）

工作端

解：假设在某一时刻，冷端温度为to=o℃,显示仪表指针指向800℃,这是实际温度。如今电桥平衡，a

点的电位Ua=Ub（b点电位）。假如另外一个时刻，冷端温度上升，t0'>tO（0*C）o

电桥中的电阻RI、R2、R3是由钵铜丝绕制而成的，电阻值稳固。Rt由铜丝绕制成的，电阻值随温度的变

化而变化。通常将Rl与热电偶的冷端连在一起。介质温度升高，电阻值升高：温度卜.降，电阻值也卜.降。

现在冷端温度％升向，K,也升而。电桥怛压电源电压为E,

I1.和1R组成的桥臂电流/=々，则a点的电位（假设恒

/V］十f\f

压电源负极电位为。伏特），则：（=万-乂冬=/高5，

通常R1»R,即：U“=*E,R升高，J也升高。因为开

11A|I4

始时：Ua=Ub，现在U；,>Ub。这实际上相当于在热电偶的

负极串联了-一个电源。

9.什么是“三线制”？引入“三线制”的作用走什么？

解：“三线制”：从热电阻引出三根导线，其中与热电阻相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂

上，第三根导线与稔压电源的负极相连。作用：当环境温度变化时，两根导线电阻同时变化，便可抵消对

仪表读数的影响。

10.结合下图，简要说明电子电位差计的工作过程。

说明：R是由锦铜丝绕制而成的滑线电阻，线性度非常好，由

稳压电源供电，电流I是恒定的，G是检流计，灵敏度很高，Et

是被测的未知电势。

F

测量过程：移动触点C,BC上的电压差/”/%=入代「

当移动C时，UBC也跟着改变，当耳工4,时，检流计指针

不会指向零，只有当时，流过检流计的电流I检二0。

这时£=力…根据触点位置，便可以直接读出E|值的大小。

又限=%,所以根据电阻RBC直接读出UBC。

初始状态假设：开始h=h0,电磁阀关闭，K打开。

•当h（t）<h°时，浮子下降，K闭合，激磁绕组通电，因

为存在中间区，阀门未立即拉开，液位继续下降；当h

（t）=3时，（线1）,K打开，QrQm”，大于Q），液

位上升。

•当h（t）>h0时，超过给定值，浮子推开K,断电，由于

中间区的存在，K未立即关上，液位继续上升；直到h

（t）=3时，K全关，Q1=0,液位下降。下降到最低

点，开始循环。

12.为什么说比例操纵作用•定产生余差？说明理由。

13.基本操纵规律有什么？简要说明6、“、TD对过渡过程的影响。

解：基本操纵规律通常包含1）位式操纵（要紧指双位操纵），2）比例操纵（P）,3）积分操纵（I）,

4）微分操纵（D）；

6：比例操纵最大优点：反映非常迅速，能很快地克服扰动，使系统稳固下

TI短，积分作用增强，系统振荡加剧，稳固性下降，导致系统的不稳固。

Td太大，微分作用强，导致系统振荡：而Td太小或者为零，表示微分作用弱或者没有，对系统无影响。

14.为什么说等百分比特性又叫对数特性？与线性特性相比它具有什么优点？

15.操纵通道、干扰通道存在纯沛后时，试分别分折它对被控变量的影响。

解：假如T0=0,操作变量对y（t）的影响如图中A所示；当纯滞后为T0时，曲线A平移到B位置，曲线A

与C之间的合成就是曲线D,曲线B与C之间的合成为曲线E。很显然，E与D相比恶化多了。操纵通道

的纯滞后应尽量减少。

曲线C表示没有滞后存在，干扰变量对被控变

量的间内，由于y⑴没有变化，操作变量对y⑴也没

有影

;、

图4

图5

16.试分析双闭环比值操纵系统与两个简单操纵系统相比有什么优越性？

解：Da、扰动作用于副对象

与简单操纵系统相比较，当扰动严重时，山于z2、pl同时变动，使得操纵作用非常迅速；而当扰动较小时.，

由于副对象调节通道的滞后时间比整个对•象的滞后时间要短得多，因此操纵也同样非常及时。

结论：干扰作用于副对象时，串级操纵系统明显优越于简单操纵系统

b、扰动作用于主对象

市级操纵系统优越于简单操纵系统。

c、扰动同时作用于主、副对象

2）特征：

•1、对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；

•2、能够改善对象特性：

•3、能够消除调节阀的非线性的影响：

•4、可兼顾两个变量。

17.如图1所示换热器，由工艺分析得知：冷物料流量Qi的变化为要紧干扰，冷物料出口温度储为被控变

量，蒸汽流量。为操作变量，设所有参数不随时间而变化，试基于不变性原理设计相应的操纵方案，并写

81：冷初料温度；82：冷物料山口温度

Q1:怜物料近豆：Q2:蒸汽而度

国1

出过程及各环节的作用。

18.对精密精储，为克服压力的微小波动对产品质量的影响，能够采取温差操纵，试说明理由。

解：选取双温差的理由是由压降而引起的温差，不仅出现在顶部，也出现在底部，这种因负荷引起的温差，

在作相减后就相互抵消。双温差操纵的实质是一种操纵精憎塔进料板邻近的构成分布，使得产品质量合格

的办法。它能够保证工艺上最好的温度分布曲线，来代替单纯的操纵塔的一端温度（或者温差）。

三、推断题

1.图4所示是原料油加热炉温度操纵系统，试问：

⑴这是个什么类型的操纵系统？画出它的方块图：

解：串级操纵系统：

操纵器的正、反作用(应说明过程)。

2.图5所示是简单贮槽液位操纵系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止抽空，试在下面两种情况入，分

别确定执行器的气开、气关型式及操纵器的正、反作用。

⑴以Q为操纵变量：

⑵以Q，为操纵变量。

灰)

解：(1)为安全起见，在自动操纵系统出现故障时，即没有操纵信号，操纵阀应处于关闭状态，也就是有

气就开，没气就关，因此应当选气开。

(2)为安全起见，在自动操纵系统出现故障时，即没有操纵信号，操纵阀应处于打开状态，也就是没气就

开，有气就关，因此应当选气关。

3.假定在如图所不的反应器温度操纵系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度小同意过

高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式与操纵器的正、反作用。

4.试确定下图所示两个系统中执行器的正、反作用及操纵器的正、反作用。

(a)为一加热器出口物料温度操纵系统，要求物料温度不能过庇，否则容易分解;

(b)为一冷却器出口物料温度操纵系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。

加热剂冷剂

-6

______)出口温度

四、计算题

1.图2所示是一反应器温度操纵系统示意图，工艺要求反应器温度需要操纵，通过冷却水流量的变化能够

达到温度操纵的目的。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量与可能的干扰？

现因生产因素的变化，要求反应温度从开始的120c提高到122C,当给定值作阶跃变化后，被控变量

的变化曲线如图所示，试求该系统的过渡过程的品质指标：最大偏差、衰减比与余差。

解:

被控对象:

被控变量:给定值,

操作变量:To

可能干扰:

最大偏差A

余差C

衰减比第

第二个波峰A=121.6-121.2=().4℃

B1.6…

n=—r=-------=4:1

B0.4

2.为测量某反应器的对象特性，在某瞬间突然将参加反应的反应物的流量从lt/h增加到L5t/h,这时反

应器出口温度的阶跃变化也线如图3所示。假设该对象为二阶对象(能够看成由一个一阶对象与纯滞后

对象构成)，试写出描述该对象的微分方程(反应物的流量为输入量，反应器出口温度为输出量)，并解

出反应物的流量作单位阶跃变化时反应器出口温度变化量的函数表达式。

3.现用一支银信一铜银热电儡测某换热器内的温度，其冷端温度为30C,显示仪表的机械零点在0C时，

这时指示值为400C,则认为次热器内的温度为430c对不对？为什么？正确值为多少度？

解：不对，

由于如今冷端温度为30C,而仪表的指示值(400C)是在仪表的机械零位在0C时的值，因此如今仪表指示

值不是换热器的实际温度。

查表可得：如今电势即为即

£(400,0)=28.943/77V030),

E(f,30)=E(400,0)=28.943wV